การดัดเย็นของท่อเปลือกสแตนเลส 316 สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มรูปตัว U เปลี่ยนออสเทนไนต์ที่สะสมไว้เป็นสเตรน-มาร์เทนไซต์เหนี่ยวนำและเร่งการเกิดรูพรุนในน้ำที่มีอุณหภูมิสูง-คลอไรด์สูง-หรือไม่

ความเสี่ยงด้านโลหะวิทยาของการเกิดรูปร่าง-หรือท่อความร้อนไฟฟ้าที่ทำจากสเตนเลสสตีล 316 แบบโค้งงอแบบกำหนดเองนั้น โดยทั่วไปแล้วจะไม่คำนึงถึงข้อกำหนดในการกัดกร่อนมาตรฐาน กระบวนการดัดงอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้รัศมีเล็กๆ บนท่อดึงเย็น ส่งผลให้เกิดการเสียรูปแบบพลาสติก ซึ่งเปลี่ยนออสเทนไนต์ที่คงตัวที่แพร่กระจายได้เป็นมาร์เทนไซต์ที่เหนี่ยวนำให้เกิดความเครียด- การเปลี่ยนแปลงนี้จะช่วยลดค่าความต้านทานการเกิดรูพรุนที่มีประสิทธิผล (PREN) ของพื้นที่ส่วนโค้งงอ แม้ว่าในทางเทคนิคแล้ววัสดุฐานจะเป็นไปตามข้อกำหนดองค์ประกอบ 316 ก็ตาม การทดสอบทางเคมีไฟฟ้าของข้อมูลการทดลองพบว่าอุณหภูมิของรูวิกฤต (CPT) ในส่วนโค้งงอเย็นของปลอกสแตนเลส 316 สามารถต่ำกว่าส่วนที่ไม่โค้งงอจากความร้อนเดียวกันได้ 15-25 องศา ในการใช้งานที่น้ำมีคลอไรด์ต่ำแต่มีอุณหภูมิสูง (เช่น 80 ถึง 95 องศา C, 50 ถึง 100 ส่วนต่อล้าน Cl⁻) การลดลงนี้มักจะเคลื่อนบริเวณส่วนโค้งงอจากสถานะบ่อแบบพาสซีฟไปจนถึงสถานะบ่อแอ็กทีฟภายในไม่กี่เดือนของการบริการ ส่งผลให้เครื่องทำความร้อนทำงานล้มเหลวก่อนเวลาอันควร บทความนี้จะประเมินความสัมพันธ์ระหว่างรัศมีการโค้งงอ เศษส่วนของมาร์เทนไซต์ที่เกิดจากความเครียด และความไวต่อการเกิดหลุม และจัดเตรียมกรอบการคัดเลือกสำหรับวิศวกรออกแบบที่ระบุเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มที่ทำจากสเตนเลสสตีล 316 ที่ขึ้นรูปแล้วสำหรับสภาพแวดล้อมทางน้ำที่รุนแรงปานกลาง

กลไกทางโลหะวิทยาของความเครียด-มาร์เทนไซต์เหนี่ยวนำในเหล็กกล้าไร้สนิม 316 แบบดัดเย็น
โครงสร้างออสเทนนิติกของสเตนเลส 316 มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่พลังงานข้อบกพร่องในการซ้อนเท่านั้น ต่ำกว่าอุณหภูมิเริ่มต้นของมาร์เทนไซต์ (Ms) การเปลี่ยนรูปเชิงกลเป็นกระบวนการทำงานที่เย็น ซึ่งพลังงานที่จ่ายไปเพียงพอที่จะกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนผ่านของแรงเฉือนจากหน้า-ออสเทนไนต์ลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลาง ($\\gamma$) ไปยังร่างกาย-มาร์เทนไซต์เตตร้าโกนัลที่อยู่ตรงกลาง ($\\alpha'$) อุณหภูมิ Ms ของสแตนเลส 316 อยู่ที่ประมาณ -40 องศา อย่างไรก็ตาม มาร์เทนไซต์ที่เกิดจากความเครียดพบได้ที่อุณหภูมิห้อง เพื่อดูสายพันธุ์พลาสติกแท้ในปริมาณวิกฤต การดัดงอทำให้เกิดแรงกดบนเส้นใยด้านนอกของปลอกและการบีบอัดที่เส้นใยด้านใน ε=t/2R โดยที่ R คือรัศมีการโค้งงอถึงเส้นกึ่งกลางท่อ t คือความหนาของผนัง และ ε คือความเครียดพลาสติกสูงสุดที่ด้านแรงดึง สำหรับการโค้งงอ 2 มิติของท่อ OD มาตรฐาน 12 มม. ที่มีความหนาของผนัง 1.2 มม. จนถึงรัศมีเส้นกึ่งกลาง 24 มม. ความเค้นของเส้นใยด้านนอกคือ 0.05 (5%) ที่รัศมี 15 มม. (โค้งงอ 1.25D) ความเครียดจะเพิ่มขึ้นเป็น 0.08 (8%) การวัดด้วย Fischer Feritscope ระบุว่าในเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ความเค้นแรงดึง 5% ส่งผลให้เกิดมาร์เทนไซต์ประมาณ 8-12% และความเครียด 8% ส่งผลให้เกิดมาร์เทนไซต์ 15-25%

การผลิตมาร์เทนไซต์มีผลสองประการต่อความต้านทานการกัดกร่อน ประการแรก มาร์เทนไซต์ละลายในโครเมียมและโมลิบดีนัมได้น้อยกว่าออสเทนไนต์ และส่งผลให้โครเมียมหมดลงที่ขอบเฟส ประการที่สอง มาร์เทนไซต์เป็นเฟสแคโทดที่เกี่ยวข้องกับออสเทนไนต์ ซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวของไมโครเซลล์กัลวานิกและการละลายขั้วบวกของออสเทนไนต์ที่อยู่ใกล้เคียง การสแกนโพลาไรเซชันแบบโพเทนชิโอไดนามิกในสารละลายคลอไรด์ 100 ppm ที่ 80 องศา บ่งชี้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ดัดเย็นที่มีมาร์เทนไซต์ 15% มีศักยภาพในการเป็นหลุมที่ +150 mV เทียบกับ Ag/AgCl ในขณะที่วัสดุเดียวกันในสภาพที่ตกผลึกใหม่ทั้งหมดมีศักยภาพในการเป็นหลุมที่ +350 mV การเปลี่ยนแปลงของ 200 mV หมายความว่าบริเวณที่โค้งงอต้องการโพลาไรซ์ขั้วบวกน้อยกว่ามากเพื่อเริ่มต้นหลุม

ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างรัศมีการดัดงอและอายุการใช้งานของหลุม
เครื่องทำความร้อนที่ทำจากสแตนเลส 316 รูปทรงตัวยู- (ความหนา 1.5 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม.) อยู่ภายใต้การทดลองควบคุมการแช่ในน้ำหล่อเย็นสังเคราะห์ (80 ppm Cl−, 200 ppm SO42−, pH 7.2, 85 องศา ) เพื่อสาธิตรูปแบบความล้มเหลวตามฟังก์ชันของรัศมีการโค้งงอ: เครื่องทำความร้อนแต่ละเครื่องทำงานที่ฟลักซ์ความร้อนที่พื้นผิว 8 วัตต์/ซม. 2 . ความล้มเหลวถูกกำหนดเป็น การเจาะทะลุเนื่องจากมีรูพรุนที่ส่วนโค้งด้านนอก

รัศมีการโค้งงอ 36 มม. (3D, ความเครียด 3.3%): ความล้มเหลวในการเจาะโดยเฉลี่ยหลังจาก 2100 ชั่วโมง ปริมาณมาร์เทนไซต์ที่ปลายงอ 6% เริ่มต้นหลายไซต์ การขยายพันธุ์ช้า

รัศมีการโค้งงอ 24 มม. (2D, ความเครียด 5.0%): ความล้มเหลวของรูพรุนโดยเฉลี่ยหลังจาก 1150 ชั่วโมง ปริมาณมาร์เทนไซต์: 11% มีนิวเคลียสของพิตเป็นพิเศษที่จุดสูงสุดของความเครียดด้านแรงดึง

รัศมีการดัดงอ 18 มม. (1.5D, ความเครียด 6.7 %) ความล้มเหลวในการขุดเจาะโดยเฉลี่ย 550 ชม. ปริมาณมาร์เทนไซต์ 18 %; การกัดกร่อนเฉพาะจุดในวงแหวนขนาด 2 มม. ที่ส่วนโค้งด้านนอก

รัศมีการดัดงอ 12 มม. (1D, ความเครียด 10%): ความล้มเหลวในการเจาะโดยเฉลี่ยหลังจาก 180 ชั่วโมง ปริมาณมาร์เทนซิติก: 27 % เจาะเร็วมีรอยแตกร้าวในบางกรณี

ในการใช้งานที่มีความเข้มข้นของคลอไรด์มากขึ้น (300-500 ppm) ในน้ำในกระบวนการ อายุการใช้งานของรูพรุนในแต่ละรัศมีโค้งงอจะลดลงอีกปัจจัยหนึ่งคือ 2-3 อีกทางหนึ่ง สำหรับอุณหภูมิของน้ำที่ต่ำกว่า 50 องศา ความเร่งของการเกิดหลุมที่เกิดจากมาร์เทนไซต์ไม่มีนัยสำคัญ เนื่องจากอุณหภูมิของหลุมวิกฤตจะสูงกว่าอุณหภูมิในการทำงาน แม้แต่ในส่วนที่โค้งงอก็ตาม

ผลกระทบทางความร้อนและทางกลของการเกิดรูพรุนเฉพาะที่บริเวณโค้ง
การออกแบบที่เน้นความเค้นที่รัศมีโค้งงอทำให้การเจาะหลุมล้มเหลวเป็นเรื่องที่ลำบากเป็นพิเศษ เมื่อหลุมทะลุผนังปลอก องค์ประกอบความร้อนภายใน (โดยปกติคือลวด NiCr หรือ FeCrAl) จะสัมผัสกับของเหลวในกระบวนการ ในระบบที่ใช้น้ำ จะทำให้เกิดความผิดปกติของกราวด์และการปิดเครื่องทำความร้อนทันที อย่างไรก็ตาม จุดร้อนที่แยกออกมาจะพัฒนาในหลุมที่มีความหนาบางส่วน-ก่อนที่จะมีการเจาะเต็ม เนื่องจากมีความต้านทานความร้อนสูงกว่าและความหนาแน่นกระแสเฉพาะจุดในความหนาของผนังที่เหลืออยู่ที่ฐานหลุม การถ่ายภาพความร้อนแบบอินฟราเรดของเครื่องทำความร้อนที่มีการเจาะผนัง 30% ที่ส่วนโค้งบ่งชี้ว่าอุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้น 35–50 องศาเหนืออุณหภูมิของเปลือกรอบส่วนโค้ง ฮอตสปอตนี้จะเพิ่มการกัดกร่อนและอาจทำให้เกิดการไหม้-ออกจากลวดต้านทานภายในเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปเฉพาะที่ แม้ในระบบที่มีแรงดัน หลุมที่มีความลึกบางส่วนสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเพิ่มความเครียดและทำให้เกิดรอยแตกเมื่อยล้าเมื่อเครื่องทำความร้อนอยู่ภายใต้วงจรความร้อน

ความเค้นตกค้างของแรงดึงที่เกิดจากการดัดงอยังทำให้เกิดการแตกร้าวของการกัดกร่อนจากความเค้น (SSC) ในบางสภาวะ การรวมกันของความเค้นดึงตกค้าง (โดยทั่วไปคือ 100-250 MPa ที่เส้นใยด้านนอกโค้งงอ) มาร์เทนไซต์และอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดกลไกความล้มเหลวที่เสริมฤทธิ์กันในคลอไรด์-ที่มีสภาวะสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 316 มีประวัติกรณีตัวอย่างสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์เคมี โดยที่เครื่องทำความร้อนรูปทรง U- 316 โค้งงอเป็นรัศมี 1.5D ใน 200 ppm Cl- บริการที่ 95 องศา ล้มเหลวภายใต้ SCC แบบข้ามแกรนูลหลังจาก 300 ชั่วโมง ในขณะที่เครื่องทำความร้อนที่เหมือนกันโค้งงอเป็นรัศมี 3 มิติทำงานได้เกือบ 3000 ชั่วโมงโดยไม่มีการแตกร้าว

คู่มือการเลือกรัศมีการโค้งงอตามระดับคลอไรด์และอุณหภูมิในการทำงาน
เมทริกซ์การตัดสินใจต่อไปนี้ช่วยวิศวกรในการกำหนดรัศมีโค้งงอขั้นต่ำสำหรับท่อความร้อนไฟฟ้าที่ทำจากสเตนเลสสตีล 316 ที่มีรูปทรงตัว U และแบบกำหนดเอง- สำหรับความเข้มข้นของคลอไรด์และอุณหภูมิปลอกสูงสุดแต่ละครั้ง จะมีการกำหนดอัตราส่วน R/t ขั้นต่ำที่แนะนำ (รัศมีการโค้งงอหารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ) เพื่อจำกัดการพัฒนาของมาร์เทนไซต์ให้น้อยกว่า 5%

ความเข้มข้นของคลอไรด์สูงสุด (ppm) อุณหภูมิเปลือกสูงสุด ( องศา ) รัศมีการโค้งงอขั้นต่ำที่แนะนำ (OD หลายของท่อ) การเจาะแบบบ่อที่คาดการณ์ไว้-อายุการใช้งานอิสระ (ชั่วโมง) คุณต้องการหลังการ-ดัดโค้งด้วยความร้อนหรือไม่
< 50 < 60 2.0 D > 5000 No 50 – 100 < 60 2.0 D > 4000 No 50 – 100 60 – 90 2.5 D > 3000 No 50 – 100 90 – 110 3.0 D > 2000 Recommended (solution anneal if possible)
600 > 90 4.0 D > 600 จำเป็น + พิจารณาการอัพเกรดโลหะผสม (Incoloy 825) > 600 > 100 4.5 D > 500 จำเป็น + พิจารณาการอัพเกรดโลหะผสม (Incoloy 825) > 600 > 100 5.0 D > 400 จำเป็น + พิจารณาการอัพเกรดโลหะผสม (Incoloy 825) > 600 > 100 6.0 D > 300 จำเป็น + พิจารณาการอัพเกรดโลหะผสม (Incoloy 825) > 600 > 100 7.0 D > 200 จำเป็น + พิจารณาการอัพเกรดโลหะผสม (Incoloy 825) > 600 > 100 8.0 D > 100 จำเป็น + พิจารณาการอัพเกรดโลหะผสม (Incoloy 825) 600 อุณหภูมิใดๆ ห้ามงอเย็น ใช้เครื่องทำความร้อนแบบตรงหรือโค้งงอที่ขึ้นรูปร้อน-ไม่เหมาะสม ใช้ 316 ตรงหรือเลื่อนไปที่โลหะผสมที่มีความทนทานมากขึ้น
สำหรับการใช้งานที่ต้องการการโค้งงอ U- ขนาดเล็กกว่า 2.5D ในสภาวะคลอไรด์ปานกลาง ผู้ผลิตอาจเลือกใช้ขั้นตอนการหลอมสารละลายหลังการโค้งงอ- โดยให้ความร้อนถึง 1,050 องศา ตามด้วยการชุบน้ำอย่างรวดเร็ว เพื่อตกผลึกโครงสร้างที่ตึงเครียดอีกครั้ง และกำจัดมาร์เทนไซต์ออก อย่างไรก็ตาม วิธีการแก้ปัญหา-การหลอมชุดประกอบเครื่องทำความร้อนที่เสร็จสมบูรณ์นั้นโดยทั่วไปไม่สามารถทำได้ เนื่องจากองค์ประกอบความร้อนภายในและซีลปลายสายไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิเหล่านี้ได้ ในสถานการณ์เหล่านี้ คำตอบที่ใช้ได้จริงคือการระบุรัศมีการโค้งงอที่มากขึ้นหรืออัลลอยด์ที่ขึ้นรูปได้ดีกว่าแต่ยังคงทนทานต่อการกัดกร่อน- เช่น 316Ti (ซึ่งเติมไทเทเนียมเพื่อรักษาเสถียรภาพของคาร์ไบด์และมีแนวโน้มที่จะก่อตัวมาร์เทนไซต์น้อยกว่า)

ขั้นตอนเพิ่มเติมในการลดการโค้งงอ-การกัดกร่อนที่เกี่ยวข้อง
เมื่อข้อจำกัดในการออกแบบจำเป็นต้องมีรัศมีการโค้งงอที่แคบบนปลอกสแตนเลส 316 วิธีการทางเทคนิคสามวิธีสามารถฟื้นฟูความต้านทานการกัดกร่อนได้บางส่วน ความเครียดในเส้นใยด้านนอกเป็นสัดส่วนกับ t/R ดังนั้น ยิ่งผนังท่อหนาก่อนการดัดงอมากเท่าใด ความเครียดในเส้นใยด้านนอกสำหรับรัศมีการโค้งงอที่กำหนดก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ท่อผนัง 1.8 มม. โค้งงอเป็นรัศมี 1.5D มีความเครียดต่ำกว่าท่อผนัง 1.2 มม. งอในรัศมีเดียวกัน ส่งผลให้การผลิตมาร์เทนไซต์ลดลงประมาณ 30% ประการที่สอง การระบุคาร์บอนต่ำ 316L (สูงสุด 0.03% C) เทียบกับ 316 (0.08% C) จะเพิ่มความต้านทานต่ออาการแพ้ในระหว่างการดัดงอและการเชื่อมใดๆ ในภายหลัง แต่จะไม่ป้องกันการก่อตัวของมาร์เทนไซต์โดยตรง ประการที่สาม การขัดเงาด้วยไฟฟ้าหลัง-โค้งงอจะกำจัดชั้นพื้นผิวบางๆ (20–50 µm) โดยมีความหนาแน่นสูงสุดของมาร์เทนไซต์และ-ข้อบกพร่องที่เกิดจากการเสียรูป การทดสอบเคมีไฟฟ้าระบุว่าการขัดเงาด้วยไฟฟ้าด้วยส่วนโค้ง 1.5D จะทำให้ศักยภาพของการเกิดรูพรุนอยู่ภายใน 50 mV ของสภาวะที่ไม่โค้งงอ และเพิ่มอายุการใช้งานขึ้นสามเท่าเมื่อเทียบกับส่วนโค้งที่ไม่ขัดเงา

รัศมีโค้งงอสำหรับฮีตเตอร์แช่สแตนเลส 316 งานหนัก
วิศวกรออกแบบที่ขอใบเสนอราคาเกี่ยวกับท่อความร้อนไฟฟ้าสแตนเลส 316 รูปทรงตัว U หรือแบบโค้งแบบกำหนดเองควรระบุรัศมีการโค้งงอขั้นต่ำเป็นหลายเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ ความเข้มข้นของคลอไรด์ที่คาดหวัง และอุณหภูมิการทำงานสูงสุดของของไหลในกระบวนการ อย่าเชื่อว่ารัศมีโค้งงอมาตรฐานของผู้ผลิตนั้นใช้ได้กับเคมีในน้ำของคุณ (โดยปกติจะเป็น 2D หรือ 1.5D) สำหรับการติดตั้งใหม่ที่มีความกระด้างของน้ำและระดับคลอไรด์ตามแบบฉบับของเทศบาล (50-150 ppm Cl- อุณหภูมิการทำงาน 60-80 องศา) ให้รัศมีการโค้งงอ 3 มิติขั้นต่ำเพื่อให้มั่นใจว่าความเข้มข้นของมาร์เทนไซต์จะต่ำกว่า 5% และอายุการใช้งานที่ปราศจากการเกิดหลุม-ที่คาดการณ์ไว้มากกว่า 10,000 ชั่วโมง หากข้อจำกัดด้านพื้นที่กำหนดให้มีการโค้งงอที่แน่นกว่า 2.5D ให้สอบถามซัพพลายเออร์เกี่ยวกับ-การวัดมาร์เทนไซต์ที่เหนี่ยวนำให้เกิดความเครียด (เฟอร์ไรต์สโคปหรือการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์) บนตัวอย่างโค้งงอ และพิจารณาการขัดเงาด้วยไฟฟ้าหรือขั้นตอนการปล่อยความเครียดหลังการโค้งงอ โดยถือว่ารัศมีการโค้งงอเป็นตัวแปรการออกแบบบนฐานที่เท่ากันโดยมีความหนาของผนังและการขัดเงาพื้นผิว วิศวกรกระบวนการอาจป้องกันความล้มเหลวก่อนเวลาอันควรที่ไม่ได้เกิดจากส่วนที่เป็นเส้นตรง แต่มาจากเส้นใยด้านนอกที่อ่อนแอของทุกโค้งงอ